机体ROS的产生及对生物大分子的毒性作用.docx

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机体ROS的产生及对生物大分子的毒性作用

机体ROS的产生及对生物大分子的毒性作用

?

综述与讲座?

机体ROS的产生及对生物大分子的

毒性作用

郁军超.薛连璧

（首都医科大学附属北京天坛医院,北京100050）

山东医药2012年第52卷第8期

关键词:

活性氧;自由基;氧化应激;生物大分子;氧毒性

中图分类号:

Q505文献标志码:

A文章编号:

1002-266X（2012）08-0094-04

活性氧（ROS）是细胞有氧代谢过程中产生的化学

性质活泼的氧自由基和能转化为自由基的物质,主要

包括氧自由基和某些非自由基物质.氧自由基是活体

系统产生的自由基中最重要的类型,主要包括超氧阴

离子（?

O2-）,羟基自由基（?

OH）,氢过氧自由基（HO:

?

）,烷氧基（RO?

）,过氧自由基（RO0?

）等.氧自由

基占人体内总自由基的95%以上,对人体有特殊的意

义.非自由基物质主要是指氧化剂和（或）易于转化为

自由基的物质,包括过氧化氢（H0:

）,次氯酸

（HOCL）,次溴酸（HOBr）,臭氧（O）,过氧亚硝基阴离

子（ONO0一）和单线态氧（0）等.ROS是机体不可或

缺的物质,在低浓度和中等浓度时,ROS起着重要的生

理作用.它参与机体的免疫过程,抵御细菌,病毒,寄

生虫等外源性微生物对机体的损害¨.同时越来越多

的证据显示,在哺乳动物细胞中,ROS能作为第二信

使J,调节信号传导途径,控制基因表达和蛋白质翻译

后的修饰_3J,进而参与细胞生长,分化,死亡等诸多功

能.而当炎症,缺血一再灌注,高氧等情况下,ROS

的产生增多,或当机体的抗氧化系统受损,ROS的产生

和机体的抗氧化能力之间的平衡被打破时,产生氧化

应激,损害生物分子,细胞,组织,器官等,引起多种疾

病的发生或发展.由于脂质,蛋白,DNA等生物大分子

是细胞重要的组成成分,具有重要的功能,因此有必要

对ROS损害生物大分子的机制进行综述,使我们从分

子水平上阐明ROS对机体的损害作用,明确ROS导致

的多种疾病发生的分子机制.

1RoS的产生

氧具有独特的分子结构,易于接受电子形成

基金项目:

国家自然科学基金资助项目（30972829）.

{通讯作者,E.mail:

xue40@

94

ROS.机体内氧含量比较丰富,存在产生大量ROS的

能力.按照来源途径的不同,ROS可大致分为外源性

和内源性.对于机体细胞,当接触到能进行氧化还原

反应循环的醌类,硝基类等物质时,可产生ROS.同

时吸烟,电离,光照,热辐射冲击,高分压氧,药物,环

境污染等外源性物理因素或化合物,都能使细胞产生

ROS.而生物体内许多代谢过程中,都可自发地产生

ROS,称为内源性ROS.内源性ROS主要是?

o2-和

?

OH及其活性衍生物,如H0,.0,RO?

烷过氧

基（RO?

）及氢过氧化物（ROOH）.

内源性的ROS主要来自于线粒体的有氧呼吸

和代谢过程,是呼吸链的副产物源J,也是机体内

的ROS的主要来源j.正常情况下,在真核生物细

胞线粒体内,经过酶复合物I一Ⅳ,电子从还原性分

子转移到分子氧,复合物酶Ⅳ（细胞色素c氧化酶）

位于电子传递链的末端,确保氧还原为水,而没有

ROS的产生,即经过四部单电子还原反应,一分子

氧被还原成两分子水.如果氧与上游的复合物,尤

其是直接与复合物I和Ⅲ反应,此时氧分子仅被部

分还原,生成?

O和H0,即线粒体"电子漏",此

时约0.1%的氧被线粒体还原为?

OJ.?

O是

初级的ROS,通过氧化反应,可转化为其他种类的

ROS,如?

0在锰.超氧化物岐化酶（Mn?

SOD）的催

化下,被歧化为0和H:

0,形成继发性的ROS.

H0:

能穿过线粒体膜,进入细胞质,细胞质内含有

丰富的SOD,过氧化氢酶（CAT）,硫氧还蛋白（thi-

oredoxin）,能把H0转化为H:

0和0.但在还原

性过渡金属催化下,通过Fenton或Haber—Weiss反

应,H0:

能被转化为活性更高的?

OH.?

OH氧化

能力较强,半衰期较短,是毒害作用较大的自由基之

一

_4J

.在活体,当催化剂M是一个过渡金属离子

山东医药2012年第52卷第8期

时,大部分?

OH被来源于金属催化下HO的降

解j.另外,线粒体内产生的ROS并不都是来源于

氧化磷酸化链,细胞内约30%的H:

O:

由氧化还原

酶p66shc通过对细胞色素c的直接氧化所产

生¨.线粒体内的HO也可来源于单胺氧化酶.

除了线粒体,内源性的ROS还可来源于细胞的

其他组分,如过氧化物酶体,微粒体,激活的炎症细

胞,细胞色素P450,一氧化物酶系统,NO合成酶及参

与炎症过程的几种其他的酶_l.在过氧化物酶体,

脂肪酸的氧化过程中,高能电子被转移到分子氧形成

HO,此首步反应是由酰基CoA氧化酶催化的.在

微粒体上,细胞色素P450酶催化脂肪酸的w.氧化,

通过黄素蛋白的介导,电子传递到O形成ROS【12].

ROS也可来源于中性粒细胞,嗜酸性细胞,巨噬细胞

等炎性细胞.巨噬细胞增加氧的摄人,释放产生各种

ROS.细胞质内的其他几种酶系统也能产生H:

O,

如氨基酸氧化酶,环丙烷加氧酶,脂质加氧酶,黄嘌呤

氧化酶等.在一氧化氮合成酶（NOS）催化下,L一精氨

酸产生一氧化氮（NO）.NOS分为3种,神经型NOS

（nNOS）,内皮型NOS（eNOS）和可诱导型NOS（iN—

os）.在生理状况下,nNOS和eNOS产生少量的NO,

分别起神经递质和扩张血管的作用,担负着重要的生

理功能,但大多数的NO由炎症和免疫刺激下的iNOS

合成.重要的是,?

0能迅速与NO反应,生成一

种强烈的硝化和氧化复合物ONOO一.

2RoS对脂质的作用

脂质是细胞膜和细胞器膜的主要组成成分,包

括磷脂,糖脂和中性脂.质膜中的多不饱和脂肪酸

含有双键,更易受到ROS的攻击.ROS,尤其是活

性较高的?

OH和ONOO一,能与生物膜的多不饱和

脂肪酸（PUFA）发生脂质过氧化反应,其中?

OH可

直接与脂类反应,夺取一个氢原子形成脂基团,在有

氧情况下引发脂质过氧化反应.而ROS中的过氧

化物和NO主要由NADPH氧化酶,谷胱甘肽氧化

酶,NO合成酶产生,活性较低,不能与脂质直接发

生LPO,但它们能迅速反应生成过氧亚硝酸盐,启动

LPO反应.当FeⅡ一FeⅢ或FeⅡ.O,.Fem形成

时,或有ADP—FeⅡ时,能增加脂质过氧化反应的最

大速率升高,促进了脂质过氧化产物的生成_1.

脂质过氧化反应能引起和扩大细胞损害,这主要

是由反应生成的氧化产物形成引起.脂质过氧化反

应产生多种化学性质相对稳定的分解终产物,主要是

B-不饱和活性醛,如丙二醛（MDA）,壬烯酸

（HNE）,丙烯醛_l和异前列腺素,这些醛类结构

相对稳定,因此可以作为氧化应激的生物标志物,测

定血浆和尿中的含量能了解氧化应激/损害的程度.

当然,机体能从饮食中摄取脂氢过氧化物和醛类,并

从尿中排泄,因此要想准确地了解机体氧化应激的程

度,应对饮食中的这些物质进行限制'j.与自由

基相比,这些醛类能够弥散入细胞,甚至弥散出细胞,

攻击距其产生部位较远的目标分子.因此,它们不仅

是脂质过氧化反应的终末产物和残余物,也可以作为

"第二个细胞毒信使"引起初级反应.这些氧化产物

的化学性质活跃,能共价修改重要的生物大分子,使

DNA和蛋白质发生交联【17,19].不饱和活性醛可交联

到DNA的双股螺旋,细胞分裂时双股螺旋无法解开,

导致细胞分裂不能,死亡.已有研究证实脂质过氧化

产物中的MDA对鼠有致癌作用,在细菌和哺乳动物

上有致突变性,而HNE有致突变作用.0【,B-不饱

和反应醛也可以氧化蛋白,蛋白的损害表现为氨基酸

受到氧化修饰,主要发生在亲核的半胱氨酸残基,也

可发生在组氨酸和赖氨酸,但程度较半胱氨酸轻,被

修饰的蛋白质交联后形成无定形的沉淀物.丙二醛

能使膜蛋白和磷脂之间形成交联聚合,直接破坏质膜

的磷脂双层,导致蛋白质不可逆性失活,进一步使膜

的基本特征如变构,离子传递,酶活性等功能发生改

变,干扰细胞正常的生理过程,加重细胞膜损伤,

使细胞由可逆损伤转变为不可逆损伤.ROS对脂质

的氧化损害导致脂膜损伤,同时产生的脂质过氧化物

仍具有氧化活性,使损伤得以继续,甚至呈瀑布样作

用,放大了ROS对脂质的损害.

3RoS对蛋白的作用

蛋白质是ROS的主要目标分子,与蛋白反应的

ROS占细胞所消耗ROS的大多数（5%～75%）.对

蛋白的氧化损害可由ROS直接引起,也可经氧化应

激副产物间接引起.作用于蛋白质的自由基主要是

?

OH,HO,?

0等.HO:

和?

0可直接与含

半胱氨酸的蛋白的活性中心作用,使功能性蛋白失

去活性.如有过渡金属Fe和Cu等存在下,经过

Fenton反应或Haber.Weiss反应,H2O2能转变为活

性作用更强的?

OH,导致His,Tyr,Cys等氨基酸氧

化.?

OH与蛋白质反应时,从蛋白多肽中提取一

个氢原子,形成以碳为中心的自由基,在需氧环境

下,以碳为中心的自由基能与O:

起反应生成过氧化

氢自由基.在过渡金属存在时,出现氧化分裂,伴有

组氨酸残基的丢失,双酪氨酸交联.引入羰基,生成

烷基,烷氧基,烷基一过氧化氢自由基.经不同的机

制,导致肽链分裂,交联,氨基酸侧链进行修饰,尤其

是半胱氨酸和甲硫氨酸,使其对自由基引起的氧化

更敏感.ROS也能使蛋白的1～4级结构发生变化,

95

导致蛋白变性或酶活性的丧失.

氧化应激不仅损害蛋白本身,还对其他的生物分

子产生级次损害,如灭活DNA修复酶,在DNA复制

时,DNA聚合酶受损,其准确度下降.且大多数蛋白

的损害是不可逆的,蛋白结构的氧化损害引起下游广

泛的功能改变,如酶活性的抑制,对聚集和蛋白水解

敏感性的增加,被细胞吸收的增加或降低,免疫原性

的改变.因为氧化蛋白的移除能力下降,导致非

折叠和受伤蛋白的数量增加,聚积在细胞内和细胞外

的间隔.蛋白水解能力的下降和氧化损伤蛋白积聚

的增加之间的恶性循环持续下去,直到蛋白积聚物引

起新陈代谢的失调,凋亡,甚至坏死引.但不同个体

对氧化损害显示出不同的敏感性,主要是与暴露于分

子表面的巯基组,Fe.S簇,还原性的血红素部分,铜修

复簇,残基的组成和分布不同而不同.

4ROS对DNA的影响

ROS能与DNA发生氧化反应,导致DNA分子

损害.其中,?

OH能直接与DNA反应,而其他活

性较低的ROS则是通过一系列反应转变为活性较

高的?

OH,ONO0一而发挥氧化作用的,如?

O虽

不能直接导致DNA损伤,但与体内产生的NO反

应,生成ONOOH,导致DNA的氧化损伤.ROS能与

DNA分子所有成分反应,导致相应成分的氧化损

害,DNA的氧化损害包括嘌呤,嘧啶,脱氧核糖的改

变,单链或双链DNA的断裂,或DNA交联.?

OH

与碱基发生加合反应,损害嘌呤和嘧啶,引起碱基改

变,破坏或脱落.其中研究最广泛的是8.羟基一脱氧

鸟苷（8-OH—G）的形成,在ROS作用下,碱基G被错

配为碱基T,它是一个常用的氧化应激生物标

记.在正常人类细胞,这种残基改变的发生几率

是1/10.ROS作用下,核酸发生脱胺反应,引起碱

基结构的改变,包括腺嘌呤成为次黄嘌呤,胞嘧啶变

为尿嘧啶,胸腺嘧啶转变为黄嘌呤,甲基胞嘧啶转变

为胸腺嘧啶.与DNA的糖基发生抽氢反应,从核酸

的去氧核糖c4部位夺取氢原子,导致脱氧核糖分

解,磷酸二脂键断裂;ROS导致DNA核苷酸链的单

链和双链断裂,DNA与附近蛋白质可能形成DNA一

蛋白质交联,甚至DNA同一条链内和相邻两条链间

核苷酸可能发生链内交联与链间交联.DNA氧化

损伤,可导致DNA结构和功能的变化,进而使DNA

中遗传信息的稳定性受到不同程度的破坏,导致基

因突变,如G:

C—T:

A颠换,具有致突变,致癌的潜

在危险.同样,DNA受损后也出现转录的阻断或诱

致,信号途径的诱导,复制错误,所有这些与致癌,致

突变作用有关.由于染色体DNA裸露存在,且

96

山东医药2012年第52卷第8期

染色体是ROS的主要来源,引起线粒体DNA更易

受到ROS的氧化损害.ROS可引起mtDNA的缺失

突变和点突变,导致线粒体功能的受损,线粒体氧化

磷酸化的能力逐渐降低,细胞产生ATP的量越

来越少,并且mtDNA突变的增加,从而导致渐进性

生物能量缺乏,细胞损伤,加速了机体的衰老.ROS

攻击DNA,是导致突变,致癌,衰老的第一步.DNA

受到氧化损害后,细胞的修复系统立即启动,通过多

种修复机制,来修复或清除这些损坏,对于那些不能

修复或不能正确修复的损害,可导致DNA的突变.

ROS对生物大分子的具体作用机制仍不明确,

同样,氧化应激引起的疾病中,有哪些ROS参与其

中,何种ROS起主要作用;对于某一种自由基,究竟

是发挥生理性作用,还是毒性作用;高分压氧治疗缺

血缺氧性疾病中,引起氧化应激的氧分压是多少等

问题,目前仍不明确,还有待于进一步研究和探讨.

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（下转第102页）

院时及出院前1d空腹采集肘静脉血3mL,离心取血

清,一20℃保存,采用美国ADL公司ELISA检测试剂

盒集中测定肾上腺素和去甲肾上腺素水平.

结果:

研究组,对照组人院日SAS,SDS评分值

及肾上腺素和去甲肾上腺素水平比较差异均无统计

学意义（P>0.05）.研究组出院前一天的SAS,SDS

评分值及肾上腺素和去甲肾上腺素水平分别为

34.52-4-6.27,36.884-7.24,（0.40±0.27）nmo~L,

（20.894-5.36）nmol//L,对照组分别为41.784-

5.97,44.284-5.47,（0.594-0.23）nmo~L,（26.05

4-5.47）nmol//L,两组各指标比较P均<0.O1.

讨论:

为了适应现代生物一心理一社会医学模

式,护理人员不能机械地执行医嘱,还要针对患者的

心理进行健康教育和心理干预.这就要求护理人员

必须具有丰富的专业知识和良好的交流技巧,只有

掌握产妇的心理,才能对其存在的具体问题给予有

针对性的心理行为干预.

分娩室实施责任助产士"导乐"分娩,这种模式强

调了以产妇为中心,增强了助产人员的责任感,体现了

人性化服务,通过助产人员舒适的按摩,热情周到的服

务,可使产妇获得经验上的传授,技术上的指导,心理

上的安慰,生理上的帮助,情感上的支持,使产妇在全

身放松的情况下与医务人员配合,愉快地度过分娩.

健康信念模式运用社会心理学方法,从人们健

康信念形成的角度,强调了个体的主观心理过程对

采取健康行为的主导作用.产妇在住院期间完成了

由孕妇到母亲的角色转变,其对健康知识的需求是

多样性的,健康教育应贯穿于产妇的整个住院过程.

本研究运用健康信念模式对研究组的孕产妇实施健

山东医药2012年第52卷第8期

康教育,使其正确认知分娩过程,得到了有关妊娠,

分娩,育婴以及自身护理知识,减轻了其分娩应激,

缓解了其负性心理,并且健康教育也增加了责任护

士与孕产妇及家属沟通的机会,融洽了护患关系,减

少了纠纷和矛盾,提高了服务满意度.

亲情护理深化了"以患者为中心"的服务理念,

在提供基础护理和专业技术服务的同时,主动为产

妇提供身心方面的照顾与帮助,以优质的全方位的

服务使产妇在住院过程中体会到护理人员像亲人一

样,感受到护理服务的温情,从而帮助产妇适应母亲

角色,缓解产妇焦虑心理.

妊娠分娩是孕产妇正常的生理活动,由于围生

期有较多的生理,心理,内分泌变化,孕产妇易发生

焦虑,抑郁等情绪障碍.SDS,SAS自评量表具有较

高的特异敏感度,两份量表不受年龄,性别,经济状

况等因素的影响,具有良好的效度和信度,是简便有

效的筛查工具,能明确识别焦虑和抑郁孕产妇.因

此,我们认为对临产孕妇应常规监测SDS,SAS,了

解其焦虑,抑郁评分,对有心理障碍的孕妇应给予针

对性的心理指导.研究表明心理应激可激活交感一

肾上腺髓质内分泌轴,引起儿茶酚胺的释放,使肾上

腺素,去甲肾上腺素的分泌升高.本研究通过积极

开展对孕产妇的神经内分泌监测和心理状态评估,

充分了解孕产妇心理,并采取临床干预措施,提高孕

产妇对妊娠分娩的认识,降低了研究组焦虑抑郁评

分及儿茶酚胺类激素水平,有效地改善了其负性情

绪,使孕妇顺利度过围产期.这是现代医学模式的

体现,也是产科工作者努力的方向.

（收稿L1期:

2011-09-27）

（上接第96页）

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